DE112016005225B4

DE112016005225B4 - Drahtgitterpolarisator und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE112016005225B4
Application number: DE112016005225.1T
Authority: DE
Inventors: R. Stewart Nielson; Bradley R. Williams
Original assignee: Moxtek Inc
Current assignee: Moxtek Inc
Priority date: 2015-11-12
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2022-02-24
Anticipated expiration: 2036-09-17
Also published as: WO2017083007A1; US20170139095A1; CN108351462B; JP2018535445A; US10175401B2; CN108351462A; DE112016005225T5

Abstract

Drahtgitterpolarisator (10), umfassend:
eine Anordnung aus parallelen, länglichen Stäben (14), angeordnet über einer Oberfläche (11s) aus einem transparenten Substrat (11), mit Lücken (15) zwischen benachbarten Stäben (14);
wobei jeder der Stäbe (14) einen reflektierenden Draht (13) enthält, der zwischen einer transparenten Rippe (12_a) und einer absorptiven Rippe (12_b) sandwichartig angeordnet ist; und
wobei ein Material der transparenten Rippe (12_a) von einem Material des transparenten Substrats (11) verschieden ist, oder die transparente Rippe (12_a) von dem transparenten Substrat (11) beabstandet angeordnet ist, oder beides, gekennzeichnet dadurch, dass
der Drahtgitterpolarisator (10) einen Wirkungsgrad von mindestens 85% und einen Kontrast von mindestens 2000 für eine Wellenlänge von sichtbarem Licht, das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer transparenten Rippe (12_a) des Drahtgitterpolarisators (10) einfällt, hat, wobei der Wirkungsgrad als Transmission der Polarisation (Tp) x Reflexionsgrad der entgegengesetzten Polarisation (Rs) und der Kontrast als Transmission der Polarisation (Tp) / Transmission der entgegengesetzten Polarisation (Ts) definiert ist, und wobei
ein Brechungsindex (n) der transparenten Rippe (12_a), bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck, größer als 1,9 ist, ein Auslöschungskoeffizient (k) der transparenten Rippe (12_a), bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck, kleiner als 0,01 ist, und das Material der transparenten Rippe (12_a), bei einer Dicke der transparenten Rippe (12_a), geeignet ist, von Licht in dem Bereich der verwendeten Wellenlänge mehr als 90% zu transmittieren und weniger als 10% zu absorbieren, unter Vernachlässigung von fresnelschen Reflexionsverlusten, und
ein optisch dicker Film von Material der absorptiven Rippe (12_b) geeignet ist, weniger als 60% von Licht in einem verwendeten Lichtwellenlängenbereich zu reflektieren und mehr als 40% zu absorbieren, wobei die Dicke des optisch dicken Films von Material größer als die Eindringtiefe ist, ein Auslöschungskoeffizient (k) der absorptiven Rippe (12_b) bei dem verwendeten Lichtwellenlängenbereich größer als 0,01 ist, und ein Auslöschungskoeffizient (k) der absorptiven Rippe (12_b), bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck, größer als 1,0 ist.

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung betrifft allgemein Drahtgitterpolarisatoren, insbesondere Strahlteiler, und Verfahren zu deren Herstellung.
Hintergrund
Drahtgitterpolarisatoren (wire grid polarizers, WGP für Singular oder WGPs für Plural), können eine Polarisation transmittieren (z. Bsp. p-Polarisation) und eine entgegengesetzte Polarisation (z. Bsp. s-Polarisation) reflektieren oder absorbieren. Ein hoher Reflexionsgrad der entgegengesetzten Polarisation (z. Bsp. hoher Rs) kann wichtig sein, weil einige Anwendungen beide polarisierten Lichtstrahlen (z. Bsp. s & p) nutzen. Hohe Absorption / geringer Reflexionsgrad der entgegengesetzten Polarisation (z. Bsp. geringer Rs) kann wichtig sein, weil die Reflexion von dieser Polarisation (Rs) das optische System stören kann. Zum Beispiel kann die reflektierte s-Polarisation Geisterbilder in einem Bildprojektor verursachen. Einige WGPs sind für hohe Reflexion und andere für hohe Absorption der s-Polarisation ausgebildet.
Hohe Transmission von einer Polarisation (z. Bsp. hohes Tp) kann ein wichtiges Merkmal von WGPs sein um Leistungsanforderungen von Lichtquellen zu minimieren. Geringe Transmission der entgegengesetzten Polarisation (z. Bsp. Ts) kann wichtig sein für verbesserte Lichtbildauflösung. Die Qualität oder Effektivität von WGPs kann gezeigt werden durch Wirkungsgrad (Tp * Rs) und Kontrast (Tp / Ts). Es kann schwierig sein, beides, Wirkungsgrad und Kontrast, zu optimieren, deshalb kann eine WGP-Auslegung für Wirkungsgrad optimiert sein, und eine weitere WGP-Auslegung für Kontrast optimiert sein.
Als diesbezüglicher Stand der Technik ist die Japanische Patentanmeldung Nr. JP 2013-232003 A zu nennen, in der ein Polarisationselement beschrieben ist, welches ein für Licht in einem Anwendungsbandweitenbereich transparentes Substrat und eine streifenförmige dünne Folie aufweist, die sich in einer Richtung auf dem Substrat mit einem Abstand erstreckt, der kleiner als die Wellenlänge des Lichts in dem Anwendungsbandweitenbereich ist, wobei reflektierende Schichten vorgesehen sind, die in einer Ursprungsgitterform angeordnet sind, sowie eine auf der reflektierenden Schicht ausgebildete dielektrische Schicht und eine anorganische Feinpartikelschicht mit einer lichtabsorbierenden Wirkung, wobei es sich bei deren anorganischen Feinpartikeln um Materialien wie Metalle und Halbleiter handelt, die Nicht-Null-Extinktionskonstanten oder optische Konstanten aufweisen, d.h. eine Lichtabsorptionsfunktion besitzen. Ferner ist als diesbezüglicher Stand der Technik die Japanische Patentanmeldung Nr. JP 2005-37900 A zu nennen, in dem ein polarisiertes optisches Element offenbart ist, bei dem sich das Reflexionsvermögen und/oder die Lichtdurchlässigkeit entsprechend der Polarisation des einfallenden Lichts ändert, und welches eine erste Gitterschicht mit einer Vielzahl von streifenförmigen Abschnitten, die sich in einer vorgegebenen Richtung erstrecken, und eine zweite Gitterschicht mit einer Vielzahl von streifenförmigen Abschnitten aufweist, die sich in einer vorbestimmten Richtung erstrecken. Dabei sind die durchschnittliche Gitterteilung der ersten Gitterschicht und die durchschnittliche Gitterteilung der zweiten Gitterschicht beide größer als die Wellenlänge des Lichts, wobei die erste Gitterschicht kurz eingestellt ist und aus einem ersten Material besteht, das das Licht reflektiert, und die zweite Gitterschicht aus zweierlei Materialien hergestellt ist und die Reflexion des Lichts durch die erste Gitterschicht unterdrückt.
Überblick
Gegenüber dem bekannten Stand der Technik wäre es vorteilhaft, einen Drahtgitterpolarisator (WGP für Singular oder WGPs für Plural) für beides, gewünschten Wirkungsgrad (Tp * Rs) und hohen Kontrast (Tp / Ts), zu optimieren. Die vorliegende Erfindung ist auf einen WGP gemäß Anspruch 1 gerichtet, welcher diese Anforderungen erfüllen.
Der erfindungsgemäße WGP, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist, umfasst insbesondere eine Anordnung aus parallelen, länglichen Stäben, welche über einer Oberfläche eines transparenten Substrats angeordnet sind, mit Lücken zwischen benachbarten Stäben. Jeder der Stäbe enthält einen reflektierenden Draht, der zwischen einer transparenten Rippe und einer absorptiven Rippe sandwichartig angeordnet ist. Ein Material der transparenten Rippe ist dabei von einem Material des transparenten Substrats verschieden, oder die transparente Rippe ist von dem transparenten Substrat beabstandet angeordnet, oder beides. Darüber hinaus hat der WGP einen Wirkungsgrad von mindestens 85% und einen Kontrast von mindestens 2000 für eine Wellenlänge von sichtbarem Licht, das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer transparenten Rippe des Drahtgitterpolarisators einfällt, wobei der Wirkungsgrad als Transmission der Polarisation x Reflexionsgrad der entgegengesetzten Polarisation und der Kontrast als Transmission der Polarisation / Transmission der entgegengesetzten Polarisation definiert ist. Ferner ist ein Brechungsindex der transparenten Rippe bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck größer als 1,9, ein Auslöschungskoeffizient der transparenten Rippe ist bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck kleiner als 0,01, und das Material der transparenten Rippe ist bei einer Dicke der transparenten Rippe geeignet, von Licht in dem Bereich der verwendeten Wellenlänge mehr als 90% zu transmittieren und weniger als 10% zu absorbieren, unter Vernachlässigung von fresnelschen Reflexionsverlusten. Außerdem ist bei dem erfindungsgemäßen WGP ein optisch dicker Film von Material der absorptiven Rippe geeignet, weniger als 60% von Licht in einem verwendeten Lichtwellenlängenbereich zu reflektieren und mehr als 40% zu absorbieren, wobei die Dicke des optisch dicken Films von Material größer als die Eindringtiefe ist, ein Auslöschungskoeffizient der absorptiven Rippe bei dem verwendeten Lichtwellenlängenbereich größer als 0,01 ist, und ein Auslöschungskoeffizient der absorptiven Rippe bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck größer als 1,0 ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische geschnittene Seitenansicht eines Drahtgitterpolarisators (WGP für Singular oder WGPs für Plural) 10, welcher eine Anordnung aus parallelen, länglichen Stäben 14, enthält, die über einer Oberfläche eines transparenten Substrats 11, mit Lücken 15 zwischen benachbarten Stäben 14 angeordnet sind. Jeder der Stäbe 14 enthält einen reflektierenden Draht 13, der zwischen zwei Rippen 12 sandwichartig angeordnet ist. Eine der Rippen 12 ist eine transparente Rippe, und eine ist eine absorptive Rippe, in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine schematische perspektivische Ansicht des WGP 10 aus 1, in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.
3 - 4 zeigen Bildprojektionssysteme 30 und 40, wobei jedes WGP(s) 10 in Übereinstimmung mit Ausführungen der vorliegenden Erfindung enthält.
5a - c zeigen Schritte in einem Verfahren zur Herstellung eines WGP in Übereinstimmung mit einer Ausführung der vorliegenden Erfindung.

Definitionen
Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „Kontrast“ einen Bruchteil der Transmission durch den WGP der vorwiegend transmittierten Polarisation (z. Bsp. Tp) dividiert durch einen Bruchteil der Transmission durch den WGP einer entgegengesetzten Polarisation (z. Bsp. Ts). Zum Beispiel, Kontrast = Tp / Ts.
Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „Wirkungsgrad“ einen Bruchteil der Transmission durch den WGP der vorwiegend transmittierten Polarisation (z. Bsp. Tp) mal einen Bruchteil der Reflexion einer entgegengesetzten Polarisation (z. Bsp. Rs) weg von dem WGP. Zum Beispiel, Wirkungsgrad = Tp * Rs.
Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „länglich“, dass eine Länge L der Stäbe 14 wesentlich größer ist als eine Stabbreite W und/oder Stabdicke Th₁₄. Zum Beispiel können WGPs für ultraviolettes oder sichtbares Licht eine Stabbreite W zwischen 20 und 100 Nanometer und eine Stabdicke zwischen 50 und 500 Nanometer aufweisen; und eine Stablänge L von etwa 1 Millimeter bis 20 Zentimeter oder mehr, abhängig von der Anwendung. Somit können längliche Stäbe 14 eine Länge L aufweisen, die um ein Vielfaches (z. Bsp. mindestens 10 mal in einer Hinsicht, mindestens 100 mal in einer weiteren Hinsicht, mindestens 1000 mal in einer weiteren Hinsicht, oder mindestens 10.000 mal in einer weiteren Hinsicht) größer ist als die Stabbreite W und/oder die Stabdicke Th₁₄. Der Ausdruck „länglich“ kann auch bedeuten, dass die Länge L der Stäbe 14 länger ist als jegliche Wellenlänge in dem Wellenlängenbereich des beabsichtigten Verwendungszwecks. Somit kann die Länge L größer sein als 700 nm, der längsten Wellenlänge von sichtbarem Licht.
Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „Rs“ einen Prozentsatz oder einen Bruchteil der Reflexion der Polarisation, von welcher es gewünscht ist, die Transmission zu minimieren.
Viele Materialien, die in optischen Strukturen benutzt werden, absorbieren einiges Licht, reflektieren einiges Licht und transmittieren einiges Licht. Die folgenden Definitionen sind zur Differenzierung zwischen Materialien oder Strukturen vorgesehen, welche primär absorptiv, primär reflektierend oder primär transparent sind.

1. Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „absorptiv“ im Wesentlichen absorptiv für Licht in der Wellenlänge von Interesse.
1. a. Ob ein Material „absorptiv“ ist, ist relativ zu anderen Materialien, die in dem Polarisator verwendet werden. Somit wird eine absorptive Struktur wesentlich mehr absorbieren als eine reflektierende oder eine transparente Struktur.
2. b. Ob ein Material „absorptiv“ ist, ist abhängig von der Wellenlänge von Interesse. Ein Material kann in einem Wellenlängenbereich absorptiv sein aber in einem anderen nicht.
3. c. In einer Hinsicht kann eine absorptive Struktur mehr als 40% von Licht in der Wellenlänge von Interesse absorbieren und weniger als 60% reflektieren (in der Annahme, dass die absorptive Struktur ein optisch dicker Film ist - d. h. größer als die Dicke der Eindringtiefe).
4. d. In einer weiteren Hinsicht kann ein absorptives Material einen hohen Auslöschungskoeffizienten (k) haben, relativ zu einem transparenten Material, so wie zum Beispiel größer als 0,01 in einer Hinsicht oder größer als 1,0 in einer weiteren Hinsicht.
5. e. Absorptive Rippen können zum selektiven Absorbieren einer Polarisation von Licht verwendet werden.
2. Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „reflektierend“ im Wesentlichen reflektierend für Licht in der Wellenlänge von Interesse.
1. a. Ob ein Material „reflektierend“ ist, ist relativ zu anderen Materialien, die in dem Polarisator verwendet werden. Somit wird eine reflektierende Struktur wesentlich mehr reflektieren als eine absorptive oder eine transparente Struktur.
2. b. Ob ein Material „reflektierend“ ist, ist abhängig von der Wellenlänge von Interesse. Ein Material kann in einem Wellenlängenbereich reflektierend sein aber in einem anderen nicht. Einige Wellenlängenbereiche können effizient hoch reflektierende Materialien nutzen. In anderen Wellenlängenbereichen, insbesondere bei geringeren Wellenlängen, wo Materialzersetzung wahrscheinlicher auftritt, kann die Wahl des Materials begrenzter sein, und ein Optikdesigner mag Materialien eines geringeren Reflexionsgrads akzeptieren müssen als gewünscht.
3. c. In einer Hinsicht kann eine reflektierende Struktur mehr als 80% von Licht in der Wellenlänge von Interesse reflektieren und weniger als 20% absorbieren (in der Annahme, dass die reflektierende Struktur ein optisch dicker Film ist - d. h. größer als die Dicke der Eindringtiefe).
4. d. Metalle werden oft als reflektierende Materialien benutzt.
5. e. Reflektierende Drähte können zum Separieren einer Polarisation von Licht von einer entgegengesetzten Polarisation von Licht verwendet werden.
3. Wie nachstehend benutzt bedeutet der Ausdruck „transparent“ im Wesentlichen transparent für Licht in der Wellenlänge von Interesse.
1. a. Ob ein Material „transparent“ ist, ist relativ zu anderen Materialien, die in dem Polarisator verwendet werden. Somit wird eine transparente Struktur wesentlich mehr transmittieren als eine absorptive oder eine reflektierende Struktur.
2. b. Ob ein Material „transparent“ ist, ist abhängig von der Wellenlänge von Interesse. Ein Material kann in einem Wellenlängenbereich transparent sein aber in einem anderen nicht.
3. c. In einer Hinsicht kann eine transparente Struktur mehr als 90% von Licht bei der Wellenlänge von Interesse oder in dem verwendeten Wellenlängenbereich transmittieren und weniger als 10% absorbieren, unter Vernachlässigung von fresnelschen Reflexionsverlusten.
4. d. In einer weiteren Hinsicht kann eine transparente Struktur einen Auslöschungskoeffizienten (k) von weniger als 0,01 oder weniger als 0,001 bei der Wellenlänge von Interesse oder in dem verwendeten Wellenlängenbereich haben.
4. Wie in diesen Definitionen benutzt bezieht sich der Ausdruck „Material“ auf das gesamte Material einer bestimmten Struktur. Somit ist eine Struktur, die „absorptiv“ ist, aus einem Material hergestellt, das als Ganzes im Wesentlichen absorptiv ist, obwohl das Material einige reflektierende oder transparente Komponenten enthalten kann. Somit ist zum Beispiel eine Rippe, die aus einer ausreichenden Menge von absorptivem Material hergestellt ist, so dass sie im Wesentlichen Licht absorbiert, eine absorptive Rippe, obwohl die Rippe einiges darin eingebettetes reflektierendes oder transparentes Material enthalten kann.

Detaillierte Beschreibung
Wie in den 1 - 2 dargestellt ist, ist ein Drahtgitterpolarisator (WGP für Singular oder WGPs für Plural) 10 gezeigt, welcher eine Anordnung aus parallelen, länglichen Stäben 14 enthält, die über einer Oberfläche 11_s eines transparenten Substrats 11 (z. Bsp. Glas) mit Lücken 15 zwischen benachbarten Stäben 14 angeordnet sind. Jeder der Stäbe 14 enthält einen reflektierenden Draht 13, der zwischen zwei Rippen 12 sandwichartig angeordnet ist. Eine der Rippen 12 ist eine transparente Rippe, und eine ist eine absorptive Rippe.
In einer Ausführung kann die absorptive Rippe eine Rippe 12_b sein, die näher an dem Substrat 11 angeordnet ist, und die transparente Rippe kann eine Rippe 12_a sein, die entfernter von dem Substrat 11 angeordnet ist. In einer weiteren Ausführung kann die transparente Rippe die Rippe 12_b sein, die näher an dem Substrat 11 angeordnet ist, und die absorptive Rippe kann die Rippe 12_a sein, die entfernter von dem Substrat 11 angeordnet ist. Eine Entscheidung darüber, ob die absorptive Rippe oder die transparente Rippe die Rippe 12_b ist, die näher an dem Substrat 11 angeordnet ist, kann basiert sein auf (1) ob einfallendes Licht auf die Oberfläche 11_s trifft, auf welcher die länglichen Stäbe 14 angeordnet sind, oder ob einfallendes Licht auf eine entgegengesetzte Seite 11_o des Substrats 11 trifft; (2) ob der gewünschte Lichtstrahl primär reflektiert oder transmittiert wird; und (3) ob hohe Reflexion (hohes Rs) oder hohe Absorption (geringes Rs) gewünscht ist.
Zum Beispiel, wenn die absorptive Rippe näher an dem Substrat 11 angeordnet ist, und Licht auf die Oberfläche 11_s trifft, auf welcher die länglichen Stäbe 14 angeordnet sind, kann die transparente Rippe, zusammen mit dem reflektierenden Draht 13 die Reflexion von einer Polarisation erhöhen (z. Bsp. Rs erhöhen), und die absorptive Rippe kann den Kontrast erhöhen (z. Bsp. Tp / Ts erhöhen). Für Lichteinfall auf der entgegengesetzten Seite 11_o des Substrats 11 kann die absorptive Rippe s-Polarisation absorbieren und somit Rs verkleinern. Daher kann ein WGP 10 beides, hohen Wirkungsgrad (Tp * Rs) und hohen Kontrast (Tp / Ts) für Lichteinfall auf die Oberfläche 11_s aufweisen, auf welcher die länglichen Stäbe 14 angeordnet sind, und kann eine hohe Absorption von s-Polarisation (geringes Rs) für Lichteinfall auf der entgegengesetzten Seite 11_o des Substrats 11 aufweisen.
Der WGP 10 weist für eine Wellenlänge von sichtbarem Licht (z. Bsp. 450, 550 oder 650 Nanometer), das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer transparenten Rippe des WGP einfällt, einen Wirkungsgrad von mindestens 85% in einer Hinsicht, mindestens 87% in einer weiteren Hinsicht oder mindestens 89% in einer weiteren Hinsicht, auf, und der WGP 10 weist einen Kontrast von mindestens 2000 in einer Hinsicht, mindestens 3000 in einer weiteren Hinsicht, mindestens 3500 in einer weiteren Hinsicht, oder mindestens 4000 in einer weiteren Hinsicht, auf. Als ein weiteres Beispiel, für eine Wellenlänge von sichtbarem Licht (z. Bsp. 450, 550 oder 650 Nanometer), das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer absorptiven Rippe des WGP einfällt, kann der WGP 10 ein Rs von weniger als 15% in einer Hinsicht, weniger als 10% in einer weiteren Hinsicht oder weniger als 5% in einer weiteren Hinsicht, aufweisen.
Doppelfunktions-, absorptive, reflektierende WGPs mit beidem, hohem Kontrast und hohem Wirkungsgrad, können in Bildprojektoren nützlich sein, so wie zum Beispiel Bildprojektor 30, der in 3 gezeigt ist, oder Bildprojektor 40, der in 4 gezeigt ist. Der Bildprojektor 30 oder 40 kann eine Lichtquelle 31 oder 41, die zum Aussenden eines Lichtstrahls 33 oder 43 geeignet ist, ein Projektionslinsensystem 35, räumliche Lichtmodulator(en) 37 und WGPs 10 nach WGP-Ausführungen, die hier beschrieben sind, umfassen.
Das Projektionslinsensystem 35 kann zum Empfangen mindestens eines Teils des Lichtstrahls 33 oder 43 angeordnet sein und kann ein Bild projizieren. Projektionslinsensysteme 35 sind in den U.S. Patenten Nummern US 6585378 B2 und US 6447120 B2 beschrieben, welche hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden werden.
Der räumliche Lichtmodulator 37 kann zum Empfangen, in einem Lichtpfad zwischen der Lichtquelle 31 oder 41 und dem Projektionslinsensystem 35, mindestens eines Teils des Lichtstrahls 33 oder 43, angeordnet sein. Der räumliche Lichtmodulator 37 kann eine Vielzahl von Pixeln aufweisen, wobei jeder Pixel geeignet ist, ein Signal zu empfangen. Das Signal kann ein elektronisches Signal sein. Abhängig davon, ob jeder Pixel das Signal empfängt oder nicht, oder von der Stärke des Signals, kann der Pixel eine Polarisation des Teils des Lichtstrahls 33 oder 43 drehen, oder den Teil des Lichtstrahls 33 oder 43 transmittieren oder reflektieren, ohne eine Änderung in der Polarisation zu verursachen. Der/die räumliche(n) Lichtmodulator(en) 37 kann/können eine Flüssigkristall Vorrichtung / Anzeige (LCD) sein und können transmittierend, reflektierend oder transflektiv sein.
Die WGP(s) 10 können in mindestens einem Teil des Lichtstrahls 33 oder 43 vor dem Eintritt in den räumlichen Lichtmodulator 37, nach dem Austritt aus dem räumlichen Lichtmodulator 37, oder beides, angeordnet sein. Die WGP(s) 10 helfen, das Bild zu erzeugen, durch Transmittieren, Reflektieren oder Absorbieren von Licht von jedem Pixel, abhängig von der Art des WGP 10, und ob jeder Pixel das Signal empfangen hat.
Wie in 3 gezeigt kann der Bildprojektor 30 ferner eine farbenaufteilende Optik 32 und eine farbenkombinierende Optik 38 umfassen. Die Lichtquelle 31 kann einen Lichtstrahl 33 aussenden, welcher initial unpolarisiert sein kann. Die farbenaufteilende Optik 32 kann angeordnet sein um mindestens einen Teil des Lichtstrahls 33 zu empfangen, kann zwischen der Lichtquelle 31 und dem räumlichen Lichtmodulator 37 angeordnet sein, und kann den Lichtstrahl 33 aufteilen in mehrere, verschiedenfarbige Lichtstrahlen, die farbige Strahlen 33_c definieren. Die farbigen Strahlen 33_c können primäre Farben sein.
Die farbenkombinierende Optik 38 kann zwischen dem räumlichen Lichtmodulator 37 und dem Projektionslinsensystem 35 angeordnet sein und kann angeordnet sein um mindestens einen Teil der farbigen Strahlen 33_c zu empfangen. Die farbenkombinierende Optik 38 kann mindestens einen Teil der farbigen Strahlen 33_c in einen finalen Strahl oder kombinierten Strahl 33f zusammenführen. Farbenkombinierende Optiken 38 werden in Computerprojektoren benutzt um verschiedene Farben von Licht in einem einzelnen zu projizierenden Bild zu kombinieren. Farbenkombinierende Optiken 38 werden manchmal X-Würfel, X-Würfel-Prismas, X-Prismas, Licht-Rekombinations-Prismas oder dichroitische Prismas genannt. X-Würfel sind üblicherweise aus vier rechtwinkligen Prismas hergestellt, mit dichroitischen Beschichtungen, welche zusammengekittet sind um einen Würfel zu bilden.
Das Projektionslinsensystem 35 kann angeordnet sein zum Empfangen des kombinierten Strahls 33f und kann ein farbiges Bild 33_i projizieren. Das farbige Bild 33_i kann auf einen Schirm 36 oder in ein Auge einer Person projiziert werden.
Der räumliche Lichtmodulator 37 kann angeordnet sein, in einem Lichtpfad zwischen der farbenaufteilenden Optik 32 und der farbenkombinierende Optik 38, um mindestens einen der farbigen Strahlen 33_c zu empfangen. Der Bildprojektor 30 kann einen räumlichen Lichtmodulator 37 für jeden der farbigen Strahlen 33_c enthalten. Die WGPs 10 können in mindestens einem der farbigen Strahlen 33_c vor dem Eintritt in den räumlichen Lichtmodulator 37, nach dem Austritt aus dem räumlichen Lichtmodulator 37, oder beides, angeordnet sein.
Wie an dem Bildprojektor 40 in 4 gezeigt kann die Lichtquelle 41 sequentiell mehrere, verschiedenfarbige Lichtstrahlen, die farbige Strahlen 43 definieren, aussenden (daher kann der Lichtstrahl 41 als farbige Strahlen 43 definiert werden). Die farbigen Strahlen 43 können primäre Farben sein. Das Projektionslinsensystem 35 kann zum Empfangen der farbigen Strahlen 43 angeordnet sein und kann ein farbiges Bild 33_i projizieren. Das farbige Bild 33_i kann auf einen Schirm 36 oder in ein Auge einer Person projiziert werden. Der räumliche Lichtmodulator 37 kann angeordnet sein, in einem Lichtpfad zwischen der Lichtquelle 41 und dem Projektionslinsensystem 35, um die farbigen Strahlen 43 zu empfangen. Der WGP 10 kann in den farbigen Strahlen 43 vor dem Eintritt in den räumlichen Lichtmodulator 37, nach dem Austritt aus dem räumlichen Lichtmodulator 37, oder beides, angeordnet sein.
Für beide Bildprojektoren 30 und 40 kann Licht, das auf der Seite der transparenten Rippe in den WGP 10 eintritt, mit hohem Kontrast und hohem Wirkungsgrad polarisiert werden; und s-polarisiertes Licht, das auf der Seite der absorptiven Rippe in den WGP 10 eintritt, kann absorbiert werden. Die absorptive Rippe kann näher an oder entfernter von dem räumlichen Lichtmodulator 37, den Lichtquellen 31 oder 41 oder dem Projektionslinsensystem 35 sein als die transparente Rippe, abhängig davon, ob hoher Kontrast und hoher Wirkungsgrad gewünscht ist oder ob hohe Absorption von einer Polarisation gewünscht ist.
In einer Ausführung kann die absorptive Rippe der Lichtquelle 41 gegenüberstehen oder näher daran angeordnet sein, oder ein eintretender Lichtstahl und/oder die transparente Rippe können dem räumlichen Lichtmodulator 37 gegenüber stehen oder näher daran angeordnet sein. Zum Beispiel kann die absorptive Rippe die Rippe 12_b sein, die näher an dem Substrat 11 angeordnet ist. Eine Seite 11_o des Substrats 11, die gegenüber der Oberfläche 11_s liegt, auf welcher die länglichen Stäbe 14 angeordnet sind, kann näher an der Lichtquelle 41 angeordnet sein. Der WGP kann selektiv das Meiste von einer Polarisation von Licht (z. Bsp. Ts) absorbieren und das Meiste von einer entgegengesetzten Polarisation (z. Bsp. Tp) transmittieren. Die transparente Rippe kann die Rippe 12_a sein, die entfernter von dem Substrat 11 und der Oberfläche 11_s, auf welcher die länglichen Stäbe 14 angeordnet sind, angeordnet ist und kann näher an dem räumlichen Lichtmodulator 37 angeordnet sein. Der WGP kann selektiv das Meiste von einer Polarisation von Licht (z. Bsp. Tp) reflektieren, das von dem räumlichen Lichtmodulator 37 kommt.
Für eine optimale Transmission der gewünschten Polarisation (z. Bsp. für hohes Tp), kann es für die transparente Rippe förderlich sein, einen hohen Brechungsindex (n) und einen geringen Auslöschungskoeffizienten (k) zu haben. Dabei weist die transparente Rippe bei einer Lichtwellenlänge oder bei einem Wellenlängenbereich des beabsichtigten Verwendungszwecks (z. Bsp. sichtbares Licht, 400 - 500 Nanometer, 500 - 600 Nanometer oder 600 - 700 Nanometer) einen Brechungsindex (n) von größer als 1,9 in einer Hinsicht, größer als 2,0 in einer weiteren Hinsicht, größer als 2,2 in einer weiteren Hinsicht oder größer als 2,4 in einer weiteren Hinsicht und einen Auslöschungskoeffizienten (k) von weniger als 0,01 in einer Hinsicht, weniger als 0,001 in einer weiteren Hinsicht oder weniger als 0,0001 in einer weiteren Hinsicht auf.
Ein Material der transparenten Rippe kann von einem Material des transparenten Substrats 11 verschieden sein. Die transparente Rippe kann von dem transparenten Substrat 11 entfernt angeordnet sein.
Beispiele von Materialien von transparenten Rippen umfassen Aluminiumnitrid, Hafniumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Tantalpentoxid, Titandioxid, Zinksulfid, oder Kombinationen daraus. Bedingt durch Fehlstellen in der Abscheidung der transparenten Rippe sind diese chemischen Kombinationen nicht notwendigerweise in exakten stöchiometrischen Verhältnissen. Zum Beispiel bedeutet der Ausdruck „Titandioxid“ annähernd ein Titanatom für jeweils zwei Sauerstoffatome, so wie zum Beispiel Ti_xO_y, mit 0,9 ≤ x ≤ 1,1 und 1,9 ≤ y ≤ 2,1. Als weiteres Beispiel bezieht sich Siliziumnitrid generell auf Si₃N₄, aber, wie hier benutzt, bedeutet der Ausdruck Siliziumnitrid annähernd drei Siliziumatome für jeweils vier Stickstoffatome, so wie zum Beispiel Si_vN_z, mit 2,9 ≤ v ≤ 3,1 und 3,9 ≤ z ≤ 4,1.
Durch Auswahl eines Materials mit korrektem Brechungsindex (n) und Auslöschungskoeffizient (k) kann die transparente Rippe hohe Transmissivität und geringe Absorption aufweisen. Ein Material der transparenten Rippe ist bei einer Dicke (Th_a oder Th_b) der transparenten Rippe geeignet, mehr als 90% von Licht in dem verwendeten Wellenlängenbereich zu transmittieren und weniger als 10% zu absorbieren, unter Vernachlässigung von fresnelschen Reflexionsverlusten.
Die absorptive Rippe hat einen hohen Auslöschungskoeffizient (k) relativ zu der transparenten Rippe. Genauer gesagt hat die absorptive Rippe einen Auslöschungskoeffizient (k) von größer als 0,01 in einer Hinsicht oder größer als 1,0 in einer weiteren Hinsicht. Die absorptive Rippe kann mindestens 80 Massenprozent Silizium oder mindestens 80 Massenprozent Germanium enthalten.
Der reflektierende Draht 13 kann aus elektrisch leitfähigen und reflektierenden Materialien, so wie Metallen, gefertigt sein. Zum Beispiel kann der reflektierende Draht 13 mindestens 99 Massenprozent Aluminium enthalten.
Der WGP kann mehr als eine absorptive Rippe enthalten, wie beschrieben in der US Patentanmeldung Nummer US 2016/0062017 A1 , eingereicht am 10. November 2015, welche u.a. die Priorität der US Provisional Patentanmeldung Nummer 62/104,371 , eingereicht am 16. Januar 2015, beansprucht, wobei diese beiden hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingebunden werden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines WGP umfasst die folgenden Schritte, die in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden:

1. Abscheiden einer ersten Schicht 51 über einer Oberfläche 11_s eines transparenten Substrats 11. Siehe 5a.
2. Abscheiden einer zweiten Schicht 52 über einer Oberfläche der ersten Schicht 51. Siehe 5b.
3. Abscheiden einer dritten Schicht 53 über einer Oberfläche der zweiten Schicht 52. Siehe 5c.
4. Ätzen der drei Schichten 51 - 53 um separate Stäbe 14 herzustellen. Siehe 1 - 2.

Die zweite Schicht 52 ist ein reflektierendes Material. Eine von der ersten Schicht oder der dritten Schicht 53 ist ein absorptives Material und die andere ist ein transparentes Material.

Claims

Drahtgitterpolarisator (10), umfassend: eine Anordnung aus parallelen, länglichen Stäben (14), angeordnet über einer Oberfläche (11s) aus einem transparenten Substrat (11), mit Lücken (15) zwischen benachbarten Stäben (14); wobei jeder der Stäbe (14) einen reflektierenden Draht (13) enthält, der zwischen einer transparenten Rippe (12_a) und einer absorptiven Rippe (12_b) sandwichartig angeordnet ist; und wobei ein Material der transparenten Rippe (12_a) von einem Material des transparenten Substrats (11) verschieden ist, oder die transparente Rippe (12_a) von dem transparenten Substrat (11) beabstandet angeordnet ist, oder beides, gekennzeichnet dadurch, dass der Drahtgitterpolarisator (10) einen Wirkungsgrad von mindestens 85% und einen Kontrast von mindestens 2000 für eine Wellenlänge von sichtbarem Licht, das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer transparenten Rippe (12_a) des Drahtgitterpolarisators (10) einfällt, hat, wobei der Wirkungsgrad als Transmission der Polarisation (Tp) x Reflexionsgrad der entgegengesetzten Polarisation (Rs) und der Kontrast als Transmission der Polarisation (Tp) / Transmission der entgegengesetzten Polarisation (Ts) definiert ist, und wobei ein Brechungsindex (n) der transparenten Rippe (12_a), bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck, größer als 1,9 ist, ein Auslöschungskoeffizient (k) der transparenten Rippe (12_a), bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck, kleiner als 0,01 ist, und das Material der transparenten Rippe (12_a), bei einer Dicke der transparenten Rippe (12_a), geeignet ist, von Licht in dem Bereich der verwendeten Wellenlänge mehr als 90% zu transmittieren und weniger als 10% zu absorbieren, unter Vernachlässigung von fresnelschen Reflexionsverlusten, und ein optisch dicker Film von Material der absorptiven Rippe (12_b) geeignet ist, weniger als 60% von Licht in einem verwendeten Lichtwellenlängenbereich zu reflektieren und mehr als 40% zu absorbieren, wobei die Dicke des optisch dicken Films von Material größer als die Eindringtiefe ist, ein Auslöschungskoeffizient (k) der absorptiven Rippe (12_b) bei dem verwendeten Lichtwellenlängenbereich größer als 0,01 ist, und ein Auslöschungskoeffizient (k) der absorptiven Rippe (12_b), bei einer Wellenlänge von Licht bei beabsichtigtem Verwendungszweck, größer als 1,0 ist.
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei die absorptive Rippe (12_b) näher an dem Substrat (11) angeordnet ist als die transparente Rippe (12_a).
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei jede der Lücken (15) sich von einem Basisende der benachbarten Stäbe (14), dem Substrat (11) am Nächsten gelegen, zu einem distalen Ende der benachbarten Stäbe (14), dem Substrat (11) am Entferntesten gelegen, erstreckt.
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei die transparente Rippe (12_a) Aluminiumnitrid, Hafniumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Tantalpentoxid, Titandioxid, Zinksulfid, oder Kombinationen daraus umfasst.
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei ein Material der transparenten Rippe (12_a) von einem Material des transparenten Substrats (11) verschieden ist.
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei der Drahtgitterpolarisator (10) einen Wirkungsgrad von mindestens 87% und einen Kontrast von mindestens 3500 für eine Wellenlänge von sichtbarem Licht, das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer transparenten Rippe (12_a) des Drahtgitterpolarisators (10) einfällt, hat.
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei: der Drahtgitterpolarisator (10) einen Reflexionsgrad der entgegengesetzten Polarisation (Rs) von weniger als 15% für die Wellenlänge von sichtbarem Licht hat, das aus einem Winkel von 45° auf eine Seite einer absorptiven Rippe (12_b) des Drahtgitterpolarisators (10) einfällt.
Drahtgitterpolarisator (10) nach Anspruch 1, wobei der Drahtgitterpolarisator (10) einen Teil eines Bildprojektors (30) bildet, wobei der Bildprojektor (30) umfasst: eine Lichtquelle (31; 41), geeignet zum Aussenden eines Lichtstrahls (33; 43); ein Projektionslinsensystem (35), angeordnet zum Empfangen mindestens eines Teils des Lichtstrahls (33; 43) und geeignet, ein Bild zu projizieren; einen räumlichen Lichtmodulator (37): angeordnet zum Empfangen, in einem Lichtpfad zwischen der Lichtquelle (31; 41) und dem Projektionslinsensystem (35), mindestens eines Teils des Lichtstrahls (33; 43); und umfassend eine Vielzahl von Pixeln, wobei jeder Pixel geeignet ist, ein Signal zu empfangen und mindestens einen Teil des Lichtstrahls (33; 43) zu transmittieren, ohne eine Änderung in der Polarisation zu verursachen, oder eine Polarisation von mindestens einem Teil des Lichtstrahls (33; 43) zu drehen, basierend auf dem Signal; wobei der Drahtgitterpolarisator (10) in mindestens einem Teil des Lichtstrahls (33; 43) vor dem Eintritt in den räumlichen Lichtmodulator (37), oder nach dem Austritt aus dem räumlichen Lichtmodulator (37), oder beides, angeordnet ist, wobei die transparente Rippe (12_a) dem räumlichen Lichtmodulator (37) zugewandt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Drahtgitterpolarisators (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte in der folgenden Reihenfolge umfasst: Abscheiden einer ersten Schicht (51) über einer Oberfläche (11s) eines transparenten Substrats (11); Abscheiden einer zweiten Schicht (52) über einer Oberfläche der ersten Schicht (51), wobei die zweite Schicht (52) ein reflektierendes Material ist, das geeignet ist, mehr als 80% von Licht in einer Wellenlänge von Interesse zu reflektieren und weniger als 20% zu absorbieren, wobei das reflektierende Material ein optisch dicker Film mit einer Dicke ist, die größer als die Eindringtiefe ist; Abscheiden einer dritten Schicht (53) über einer Oberfläche der zweiten Schicht (52), wobei eine von der ersten Schicht (51) oder der dritten Schicht (53) ein absorptives Material ist, das geeignet ist, mehr als 40% von Licht in der Wellenlänge von Interesse zu absorbieren und weniger als 60% zu reflektieren, wobei das absorptive Material ein optisch dicker Film mit einer Dicke ist, die größer als die Eindringtiefe ist, und die andere von der ersten Schicht (51) oder der dritten Schicht (53) ein transparentes Material ist, das geeignet ist, mehr als 90% von Licht bei der Wellenlänge von Interesse zu transmittieren und weniger als 10% zu absorbieren, unter Vernachlässigung von fresnelschen Reflexionsverlusten; und Ätzen der ersten Schicht (51), der zweiten Schicht (52) und der dritten Schicht (53) bis hinunter auf die Oberfläche (11s) des Substrats (11) um separate Stäbe (14) herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die erste Schicht (51) das absorptive Material ist und die dritte Schicht (53) das transparente Material ist.